《岩体天然应力》PPT课件.ppt

第6章岩体天然应力 2011 5 2 1概述 2岩体中天然应力的分布规律 3岩体天然应力测量 4岩体中天然应力的估算 5岩体天然应力场的回归分析 6高地应力的若干特征 1概述 一 定义 1 天然应力 地应力 初始应力等 人类工程活动之前存在于岩体中的应力 2 重分布应力 二次分布应力 附加应力等 由于工程活动改变了的岩体中的应力 二 天然应力的研究历史及意义1 研究历史国际 最早的地应力模型是1912年瑞士地质学家Haim提出的各向等压假说 认为水平地应力和垂直地应力相等 且均等于上覆岩层的单位重量1926年前苏联学者金尼克根据线弹性理论修正了海姆的静水压力假设 即认为水平地应力大小应取决于当前岩层的泊松比 水平地应力与垂直地应力之比为 1 1932年 在美国胡佛水坝下的隧道中 首次成功地测定了岩体中的天然应力 20世纪50年代 哈斯特利用压磁应力计在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4个矿区进行了大规模地应力测量 并首次发表了近地表地层中的实测水平应力高于垂直应力的成果 此后地应力测量才迅速在欧洲 北美洲 南澳洲和亚洲开展 1957年 美国哈伯特和威利斯提出用水压致裂法测量岩体天然应力的理论 1975年 盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析 提出了临界深度的概念 即认为在该深度以上 水平应力大于垂直应力 在该深度以下 水平应力小于垂直应力 临界深度随地区不同而不同 目前地应力测点遍布全球 有几十万个 大部分是浅部 最深5108米 美国密执安水压致裂法 国内 我国地应力测量与研究起于20世纪50年代末 李四光和陈宗基为主要创始人 首次于1962 1964年在三峡平善坝址获得了岩体面应力实测结果 1964年在大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量 到了70年代后 我国地应力测量快速发展 1980年10月在河北易县首次成功进行了水压致裂法地应力测量 现测量深度已突破2000m 1984年引进并改进了瑞典的深钻孔水下三向应变计 使其最大测量深达530m 之后 空心包体应变计研制成功 国际上对深钻 超深钻的划分标准 3000m以下为中浅钻 5000m以上为超深钻 我国还停留在中浅钻孔地应力测试水平 2研究意义 三 天然应力的成因 2岩体中天然应力的分布规律 一 地壳中主应力以压应力为主 方向基本上是垂直和水平的 二 天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 是时间和空间的函数 三 垂直天然应力 四 水平天然应力 五 天然水平应力与垂直应力的比值 天然应力比值系数 地应力测压系数 与深度的关系 六 一个相当大的区域内 最大主应力方向是相对稳定的七 区域构造场常常决定局部点的主应力河谷构造应力的主要部分随剥蚀卸载很快释放掉 接近河谷岸坡表面存在的地应力分布差异很大 已经发现在接近河谷岸坡表面部分为岩石风化和地应力偏低带 往下则逐渐过渡到地应力平稳区 八 天然应力状态 3岩体天然应力测量 一 应力恢复法 扁千斤顶法 基本原理 二 套心法 钻孔套心应力解除法 类型 据传感器和测量物理量不同 理论计算 缺点 三 水压致裂法 是国际岩石力学学会试验方法委员会推荐的岩石应力测量方法 一 水压致裂法基本原理 利用一对可膨胀的橡胶封隔器 在预定的测试深度封隔一段钻孔 然后泵入液体对该段钻孔施压 直至压裂 根据压裂参数计算地应力 4岩体中天然应力的估算 一 垂直天然应力估算 二 水平天然应力估算 1 隆起 剥蚀卸载作用对值的影响 2 断层作用对值的影响 在地壳表层岩体中 常发育有正断层和逆断层 正断层形成时的应力状态是 1为铅直 3为水平 因此 由库伦强度判据知 正断层形成时的破坏主应力与岩体强度参数间关系为 即 因此 正断层形成的天然应力比值系数 a为 逆断层形成时的应力状态为 最小主应力 3为铅直 最大主应力 1为水平 即同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数 p为 由上述分析可知 u和 p是岩体中天然应力比值系数的两种极端情况 一般认为天然应力比值系数 是介于两者之间 即 a p 7 24 如把这一理论估算得出的结论 与Hoek Brown根据全球实测结果得出的平均天然应力比值系数随深度变化的经验关系相比 两者的形式极为一致 即天然应力比值系数与深度Z成反比 6 5岩体天然应力场的回归分析 6 5 1计算模型的建立模型建立包括确定计算区域 边界条件以及离散化 主要依据是工程范围内的地质勘测和实测资料 图6 13所示为有限元法回归分析所采用的几种荷载及位移边界 荷载主要考虑自重及构造应力 自重通常由岩体容重给出 构造力以水平作用的边界力 或位移来考虑 图6 13中b d P 或U 可先给初值 其最终计算值取决于与相应回归系数的乘积 给定岩体的参数即可按图6 13的模型求得应力场的初始计算值 6 5 2天然应力场的回归分析 天然应力场可以认为是下列变量的函数 6 6高地应力区的若干特征 随着国家建设的进行 我国西部高山峡谷区的水电 如 拉西瓦水电站 小湾水电站 锦坪二级水电站等 交通 采矿等工程活动愈来愈多 这些地方多处在高地应力区 岩石工程在勘探初期 利用勘探工程揭露出来的现象可以收集到一些判断该地区地应力高低的有用资料 据大量的勘察资料与工程实践表明地区高天然应力常与如下现象相关联 1 岩芯饼化现象饼状岩芯即钻探时取得的岩芯呈压缩饼干状 一片片地破坏 许多学者对此进行了力学分析 认为这是高地应力的产物 一般来说 岩芯饼化主要与地应力差有关 垂直于钻进方向的应力差越大 饼化就越严重 2 地下硐室施工过程中出现岩爆 剥离由于高地应力的存在 在地下硐室开挖过程中 会出现岩石的脆性破裂 积聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生岩爆或剥离 特别是垂直最大水平主应力开挖的硐室 更容易产生岩爆现象 3 隧洞 巷道 钻孔的缩径现象和前面所述的岩爆 剥离现象一样 是洞 孔 壁应力超过岩石强度所致 是软岩产生流变或柔性剪切破坏的结果 按库仑破坏条件 4 边坡上出现错动台阶葛洲坝厂房基坑开挖时 软弱层上面的岩层出现回弹3 6cm 图6 14 这是由于地应力卸荷后 发生沿软弱面的岩层错动 如果地应力卸荷出现的回弹变形是连续的 如图6 15所示 则人们不易觉察与观测到 在边坡内存在有软弱夹层时 软弱夹层的强度低 变形大 因而当开挖到软弱夹层界面时 下部岩石变形小 而上部岩层变形大 从而出现了间距 l的台阶 根据这一错台现象 由图6 16的力学模型所表示 图中h为软弱夹层上覆连续岩层厚度 为软弱夹层的抗剪强度 则 5 原位变形曲线的变化图6 17所示的a曲线为低地应力情况下裂隙比较发育的岩块压缩变形曲线 b曲线为低地